JP2019082331A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】任意の計測状態において、対象物からの反射信号の受信信号量の状態を取得できるＴＯＦ方式の変位センサを提供する。【解決手段】変位センサは、パルス信号を周期的に出射する出射部と、出射部から出射されたパルス信号が対象物で反射して生じる反射信号を受信して、当該受信した反射信号の信号強度を示す二値化信号を出力する受信部と、二値化信号の時間波形の複数を、対応するパルス信号の出射タイミングを基準として対応する時間毎に累積することで、積算波形を生成する波形積算部と、積算波形に現れるパルス信号の波形特徴に対応する波形特徴に基づいて、対象物までの距離を示す値を算出する距離算出部と、積算波形に現れる１または複数の累積値が示す特徴量に基づいて、受信部で受信される反射信号の強度である受信信号量を算出する受信信号量算出部とを含む。【選択図】図４

Description

本発明は、ＴＯＦ（Time of Flight）方式の変位センサに関する。

対象物の変位を非接触で計測する手法の一つとしてＴＯＦ方式が知られている。ＴＯＦ方式においては、対象物に対してパルス信号（典型的には、パルス光）を出射するとともに、対象物にて反射された反射信号を受信し、そのパルス信号の出射と反射信号の受信との時間差に基づいて、対象物の変位を算出する。

例えば、特開２０１１−０８９９８６号公報（特許文献１）は、測定周期の都度、ある発信時点において信号を発信するとともに、受信信号を走査し、こうして受信した信号を多数の測定周期にわたって積算することによりヒストグラムを作成し、ヒストグラムの内挿関数のゼロ点通過、極大、極小又は変曲点に基づいて受信時点を認識する構成を開示する。

特開２０１１−０８９９８６号公報

ＴＯＦ方式においては、対象物からの反射信号に基づいて、対象物の変位が計測される。一方で、対象物までの距離および対象物表面の反射率などに依存して、十分な反射信号が受信できない場合もある。このような場合には、実質的にＳ／Ｎ（Signal to Noise）比が低下し、精度の高い計測を実現できない。

上述の特開２０１１−０８９９８６号公報（特許文献１）は、このような課題に対して何ら検討されていない。

本発明の一つの目的は、任意の計測状態において、対象物からの反射信号の受信信号量の状態を取得できるＴＯＦ方式の変位センサを提供することである。

本発明のある実施の形態に係る変位センサは、パルス信号を周期的に出射する出射部と、出射部から出射されたパルス信号が対象物で反射して生じる反射信号を受信して、当該受信した反射信号の信号強度を示す二値化信号を出力する受信部と、二値化信号の時間波形の複数を、対応するパルス信号の出射タイミングを基準として対応する時間毎に累積することで、積算波形を生成する波形積算部と、積算波形に現れるパルス信号の波形特徴に対応する波形特徴に基づいて、対象物までの距離を示す値を算出する距離算出部と、積算波形に現れる１または複数の累積値が示す特徴量に基づいて、受信部で受信される反射信号の強度である受信信号量を算出する受信信号量算出部とを含む。ここで、「１または複数の累積値が示す特徴量」とは、時間毎に累積された結果のうち、ある１または複数の時間における累積値が示す特徴を意味する。例えば、ある特定の時間における累積値（すなわち、累積方向の大きさ）に着目して特徴量を決定することもできるし、複数の時間におけるそれぞれの累積値に着目して特徴量を決定することもできる。すなわち、本発明においては、少なくとも１つの累積値を反映した何らかの値を利用することで、受信信号量を算出する。

好ましくは、変位センサは、算出される受信信号量の大きさを示す情報を視覚的に出力する出力部をさらに含む。

好ましくは、変位センサは、算出される受信信号量の大きさを示す情報を外部出力する出力部をさらに含む。

好ましくは、出射部は、算出される受信信号量の大きさに応じて、出射するパルス信号の強度および出射期間の長さのうち少なくとも一方を変化させる。

好ましくは、受信部は、算出される受信信号量の大きさに応じて、反射信号に対する受信ゲインを変化させる。

好ましくは、波形積算部は、算出される受信信号量の大きさに応じて、積算波形を生成するために用いる二値化信号の時間波形の数を変化させる。

好ましくは、変位センサは、距離算出部において算出される距離を示す値に基づいて、対象物の存在の有無を判定する出力判定部をさらに含み、出力判定部は、算出される受信信号量の大きさに応じて、対象物が存在しているとの判定結果と対象物が存在していないとの判定結果とを切替えるヒステリシス幅を変更する。

好ましくは、受信信号量算出部は、積算波形に現れる、パルス信号の立上り部分または立下り部分に対応する領域の傾きの大きさに基づいて、受信信号量を算出する。

好ましくは、受信信号量算出部は、積算波形に現れる、予め定められた基準点に関連付けられる累積方向の大きさに基づいて、受信信号量を算出する。

好ましくは、受信信号量算出部は、積算波形に現れる、予め定められた基準点に関連付けられる、積算波形が規定する面積に基づいて、受信信号量を算出する。

好ましくは、変位センサは、波形積算部が生成する積算波形をフィルタ処理するフィルタ処理部をさらに含む。受信信号量算出部は、フィルタ処理部によりフィルタ処理された積算波形から１または複数の累積値が示す特徴量を算出する。

本発明の実施の形態によれば、任意の計測状態において、対象物からの反射信号の受信信号量の状態を取得できるＴＯＦ方式の変位センサを実現できる。

本実施の形態に従う変位センサの外観構成を示す斜視図である。 本実施の形態に従う変位センサによる変位計測の概要を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う変位センサによる変位計測の処理を概説するための模式図である。 本実施の形態に従う変位センサのハードウェア構成の一例を示す模式図である。 本実施の形態に従う変位センサにおけるラフ計測の処理内容を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う変位センサにおけるファイン計測の処理内容を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う変位センサにおけるファイン計測により生成される積算波形の一例を示す図である。 本実施の形態に従う変位センサにおけるフィルタ処理の処理内容を説明するための模式図である。 本実施の形態に従う変位センサにおけるフィルタ処理により得られる積算波形の一例を示す図である。 本実施の形態に従う変位センサの出力判定部に設定されるヒステリシスの一例を説明するための図である。 本実施の形態に従う変位センサにおいて積算波形の傾きに基づいて受信信号量を算出する方法を説明するための図である。 本実施の形態に従う変位センサにおいて積算波形の傾きに基づいて受信信号量を算出する別の方法を説明するための図である。 本実施の形態に従う変位センサにおいて積算波形が規定する面積に基づいて受信信号量を算出する方法を説明するための図である。 本実施の形態に従う変位センサにおける出射パルスの強度調整の一例を説明するための図である。 本実施の形態に従う変位センサにおけるしきい値判定に用いられるヒステリシス幅の調整処理の一例を説明するための図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。

＜Ａ．変位センサの外観構成＞
まず、本実施の形態に従う変位センサ１の外観構成の一例について説明する。図１は、本実施の形態に従う変位センサ１の外観構成を示す斜視図である。図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、変位センサ１は筐体２を有しており、筐体２には、接続部４と、投受光部６と、表示操作部５０とが配置されている。

接続部４には、図示しない電源ケーブル、制御ケーブル、信号ケーブルなどが挿入される。投受光部６は、発光素子１０および受光素子２０を含む。

表示操作部５０は、筐体２の短手側の一方の側面に配置されたインジケータ５１と、筐体２の上側の斜面に配置された第１操作ボタン５２および第２操作ボタン５３と、筐体２の上面に配置された第３操作ボタン５４、第１表示灯５５、第２表示灯５６を含む。

第１操作ボタン５２、第２操作ボタン５３および第３操作ボタン５４に割り当てられる機能、ならびに、第１表示灯５５および第２表示灯５６が示す情報などについては、任意に設計できる。

＜Ｂ．ＴＯＦ方式の変位センサの概要＞
次に、ＴＯＦ方式の変位センサの概要について説明する。本実施の形態に従う変位センサ１は、ＴＯＦ方式の一例である、二値方式（パルス方式）を採用する。二値方式においては、パルス信号を対象物に出射し、対象物から反射して生じる反射信号を統計的に処理した上で、出射したパルス信号のエッジ（立上り部分および／または立下り部分）に対応する部分を特定することで、対象物までの変位を計測する。

以下の説明においては、パルス信号の媒体として光を用いる場合について例示するが、これに限らず、音波あるいは他の信号媒体を用いるようにしてもよい。

図２は、本実施の形態に従う変位センサ１による変位計測の概要を説明するための模式図である。図２を参照して、変位センサ１は、発光素子１０からパルス信号（以下、「出射パルス」とも称す。）を対象物ＯＢＪに対して出射する。出射パルスが対象物ＯＢＪで反射して生じた光を受光素子２０にて受信する。

出射パルスと反射信号との間に生じる時間差Δｔは、変位センサ１と対象物ＯＢＪとの間の距離Ｌに比例する。そのため、時間差Δｔを計測することで、変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離Ｌを算出することができる。

一方で、時間差Δｔは、変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離Ｌの２倍を光速で割った値に相当するので、非常に短い。そのため、後述するような、複数の遅延素子を直列多段接続したＴＤＣ（Time to Digital Converter）ディレイラインを利用するなどした上で、出射パルスを数回にわたって出射して得られる結果の集合に基づいて。時間差Δｔ（距離Ｌ）を統計的に決定する。

図３は、本実施の形態に従う変位センサ１による変位計測の処理を概説するための模式図である。図３（Ａ）には、発光素子１０から出射される出射パルスの時間波形の一例を示す。図３（Ｂ）には、出射された出射パルスが対象物ＯＢＪで反射され、受光素子２０に入射することで生じる信号（以下、「受信信号」とも称す。）の時間波形の一例を示す。

図３（Ａ）に示す時間波形には、出射パルスの立上り部分１６２および立下り部分１８２が現れており、図３（Ｂ）に示す受信信号にも、出射パルスの立上り部分１６２および立下り部分１８２にそれぞれ対応する、立下り部分１６４および立上り部分１８４が現れている。なお、図３（Ｂ）に示す受信信号においては、信号処理の都合上、出射パルスの強度方向が反転している。受信信号には、複数のパルス状の時間波形が現れている。

図３（Ｂ）に示す受光素子は、予め定められたサンプリング周期で二値化される。図３（Ｃ）には、二値化された受信信号（以下、「二値化信号」とも称す。）時間波形の一例を示す。

図３（Ｃ）に示す二値化信号は、共通の時間基準（図３（Ａ）に示す出射開始タイミング）を基準として、複数回にわたって累積される。すなわち、図３（Ａ）に示す出射パルスは、計測周期毎に対象物ＯＢＪへ出射され、それぞれの出射パルスの出射によって生じるそれぞれの二値化信号は、それぞれの出射開始タイミングを基準として、時間軸上で信号積算されることになる。図３（Ｄ）には、信号積算の結果の一例を示す。

二値化信号の各々においては、対応する受信信号が予め定められた信号強度を超える区間については「１」となり、それ以外の区間については「０」となる。このような二値化信号をＮ回分にわたって信号積算することで、Ｎ回分の二値化信号のうち、信号強度が「１」である確率の高い区間については「Ｎ」に近い値を示し、そうでない区間については「０」に近い値を示す。図３（Ｄ）において、累積値とは、Ｎ回分の信号積算のうち、どの程度の回数において対応する区間が「１」を示していたのかを示す確率に相当する。

上述したようなＮ回分の信号積算によって、出射パルスの出射によって対象物ＯＢＪから生じた反射信号が統計的に処理される。その結果、図３（Ｄ）に示すように、変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離に応じた、出射パルスの立上り部分１６２および立下り部分１８２にそれぞれ対応する、立下り部分１６６および立上り部分１８６を特定できる。

最終的に、出射パルスの立上り部分１６２と積算波形の立下り部分１６６との時間差、または、出射パルスの立下り部分１８２と積算波形の立上り部分１８６との時間差、に基づいて、変位センサ１と対象物ＯＢＪとの距離を計測できる。

＜Ｃ．変位センサのハードウェア構成＞
次に、本実施の形態に従う変位センサ１のハードウェア構成の一例について説明する。図４は、本実施の形態に従う変位センサ１のハードウェア構成の一例を示す模式図である。図４を参照して、変位センサ１は、主処理部１００と、発光素子１０と、出射回路１２と、受光素子２０と、受信回路２２と、外部クロック３０と、表示操作部５０とを含む。

発光素子１０および出射回路１２は、対象物ＯＢＪに対して出射パルスを周期的に出射する出射部として機能する。発光素子１０は、例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）やＬＤ（Laser Diode）などの半導体発光デバイスからなる。出射回路１２は、主処理部１００からの指令（タイミング指令および強度指令）を受けて発光素子１０を駆動するための電力を供給する。

受光素子２０および受信回路２２は、対象物ＯＢＪからの反射信号を受信するための受信部として機能する。受光素子２０は、発光素子１０からの出射パルスが対象物ＯＢＪで反射して生じる反射信号を受信する。受光素子２０は、例えば、ＰＤ（Photo Diode）などの半導体受光デバイスからなる。受信回路２２は、受光素子２０から出力される受信信号を二値化した二値化信号を出力する。このように、受光素子２０および受信回路２２からなる受信部は、出射部（発光素子１０および出射回路１２）から出射された出射パルスが対象物ＯＢＪで反射して生じる反射信号を受信して、当該受信した反射信号の信号強度を示す二値化信号を出力する。

主処理部１００は、変位センサ１における主たる処理を担当する部分であり、典型的には、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）またはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）といったハードウェア実装の回路で構成される。但し、少なくとも一部をソフトウェア実装で実現してもよい。すなわち、任意のプロセッサがプログラムを実行することで、後述するような処理や機能を実現するようにしてもよい。

主処理部１００は、出射部（発光素子１０および出射回路１２）に対して、出射パルスの出射開始を指示するタイミング指令および出射パルスの強度を指示する強度指令を出力するとともに、受信部（受光素子２０および受信回路２２）から二値化信号が入力される。主処理部１００は、表示操作部５０に対して処理結果などを出力するとともに、表示操作部５０に対するユーザ操作を示す情報を受付ける。

より具体的には、主処理部１００は、パルス発生部１０２と、カウンタ計測部１０４と、ＴＤＣディレイライン１０６と、温度補正ＴＤＣディレイライン１０８と、波形積算部１１０と、受信信号量算出部１１２と、フィルタ処理部１１４と、段数算出処理部１１６と、距離換算部１１８と、出力判定部１２０と、レジスタ１２２と、インターフェイス部１２４と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）１３２と、発振器１３０とを含む。

図４には、一例として、ラフ計測およびファイン計測の２段階で変位（変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離）を算出する構成例を示す。

パルス発生部１０２は、出射回路１２に対して、出射パルスの出射周期（計測周期）および強度（出射パルスの振幅）に係る指令を出力する。パルス発生部１０２は、受信信号量算出部１１２からの強度指令に従って出射パルスの強度を決定するとともに、出射パルスの出射周期（計測周期）を示すタイミング指令をカウンタ計測部１０４にも出力する。

カウンタ計測部１０４は、ラフ計測を担当する回路であり、受信回路２２からの二値化信号の時間変化（以下、説明の便宜上「時間波形」とも称す。）を所定期間分にわたって保持するとともに、所定期間分の時間波形を所定回数分にわたって累積することで、出射パルスと反射信号との間に生じる時間差を算出する。

ＴＤＣディレイライン１０６と、温度補正ＴＤＣディレイライン１０８と、波形積算部１１０と、フィルタ処理部１１４と、段数算出処理部１１６と、距離換算部１１８とは、ファイン計測を担当する回路である。

ＴＤＣディレイライン１０６は、直列多段接続された複数の遅延素子（すなわち、複数段の遅延素子群）からなり、受信回路２２からの二値化信号の時間波形を所定期間分にわたって保持するとともに、その保持された所定期間分の時間波形を波形積算部１１０へ出力する。

温度補正ＴＤＣディレイライン１０８は、ＴＤＣディレイライン１０６を構成する各遅延素子に生じる遅延時間の変動（主として、温度要因）を補正するための情報を取得するための回路であり、ＴＤＣディレイライン１０６と同様に、直列多段接続された複数の遅延素子（すなわち、複数段の遅延素子群）からなる。温度補正ＴＤＣディレイライン１０８は、予め定められた期間の間、活性化される。そのときに活性化された遅延素子の段数と当該予め定められた期間の間との関係に基づいて、１つの遅延素子に生じる遅延時間が算出される。

波形積算部１１０は、ＴＤＣディレイライン１０６に保持された所定期間分の時間波形を複数回分累積することで積算波形を生成し、受信信号量算出部１１２およびフィルタ処理部１１４へ出力する。すなわち、波形積算部１１０は、複数の出射パルスに対して生じる二値化信号の時間波形の複数を、対応する出射パルスの出射タイミングを共通の基準として、対応する時間毎に蓄積することで、積算波形を生成する。積算波形は、各時間において二値化信号がオンである確率を示す、一種のヒストグラムに相当する。

フィルタ処理部１１４は、波形積算部１１０からの積算波形に対してフィルタ処理した上で、フィルタ後の積算波形を段数算出処理部１１６へ出力する。すなわち、フィルタ処理部１１４は、波形積算部１１０が生成する積算波形をフィルタ処理する。

段数算出処理部１１６は、フィルタ処理部１１４からのフィルタ後の積算波形に基づいて、出射パルスと反射信号との間に生じる時間差に相当する、遅延素子の段数を算出する。

距離換算部１１８は、段数算出処理部１１６からの段数と、温度補正ＴＤＣディレイライン１０８からの１つの遅延素子に生じる遅延時間とに基づいて、出射パルスを出射してから反射信号に特徴点が現れるまでの時間を算出し、最終的に、変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離（変位）を算出する。

段数算出処理部１１６および距離換算部１１８は、積算波形に現れる出射パルスの波形特徴（出射パルスのエッジ（立上り部分および／または立下り部分））に対応する波形特徴に基づいて、対象物ＯＢＪまでの距離を示す値を算出する距離算出部として機能する。

以上のような機能によって、変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離が算出される。
受信信号量算出部１１２は、積算波形に現れる１または複数の累積値が示す特徴量に基づいて、受信部（受光素子２０および受信回路２２）で受信される反射信号の強度である受信信号量（反射信号により生じる受信信号の強度）を算出する。この算出される受信信号量（信号の受信信号量）は、当該計測状態におけるＳ／Ｎ（Signal to Noise）比に相当し、受信信号量が大きいほど、計測安定性が高いと評価でき、また、計測分解能も高いと評価できる。受信信号量算出部１１２における受信信号量の算出処理の詳細については、後述する。

出力判定部１２０は、距離換算部１１８において算出された距離が予め定められた条件を満たすか否かを判定し、その判定結果を表示操作部５０へ出力する。典型的には、変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離が予め定められた値以下である場合には、対象物ＯＢＪの検出を示す信号を出力してもよい。典型的には、出力判定部１２０は、距離算出部（段数算出処理部１１６および距離換算部１１８）において算出される距離を示す値に基づいて、対象物ＯＢＪの存在の有無を判定する。

レジスタ１２２は、距離換算部１１８からの距離、および、受信信号量算出部１１２からの受信信号量を一時的に格納し、インターフェイス部１２４へ出力する。インターフェイス部１２４は、レジスタ１２２に格納されている値などに基づいて、表示操作部５０のインジケータ５１（図１など参照）の表示を逐次更新する。

外部クロック３０は、主処理部１００の各部を駆動するための参照クロックを発生する。外部クロック３０としては、例えば、水晶発振子などが用いられる。発振器１３０は、外部クロック３０からの参照クロックに従って、内部クロックを発生する。発振器１３０からの内部クロックはＰＬＬ１３２へ与えられる。

ＰＬＬ１３２は、発振器１３０からの内部クロックに従って、ＴＤＣディレイライン１０６および温度補正ＴＤＣディレイライン１０８、ならびに、主処理部１００を構成する各部を駆動するための計測用クロックを供給する。

表示操作部５０については、図１を参照して説明したので、詳細な説明は繰返さない。
＜Ｄ．計測処理の概要＞
次に、本実施の形態に従う変位センサ１における２段階の計測（ラフ計測およびファイン計測）の詳細について説明する。

（ｄ１：ラフ計測：カウンタ計測部１０４）
本実施の形態に従う変位センサ１におけるラフ計測は、カウンタ計測部１０４によって実行される。カウンタ計測部１０４は、計測用クロックＣＬＫおよび計測用クロックＣＬＫを位相シフトさせたクロックに基づいて、時間と関連付けて二値化信号を収集する。収集した二値化信号の時間波形を複数の出射周期（計測周期）について計測する。所定回数（例えば、ｎサンプル分）にわたって時間波形を計測し、それぞれ計測した複数の時間波形の間で、対応する時間（サンプリングタイミング）毎の二値化情報を累積する。すなわち、二値化情報の時間波形をＮ回分計測すると、各サンプリングタイミングについてＮ回分の二値化情報が得られるので、サンプリングタイミング毎にＮ回分の二値化情報を累積することで、積算波形を算出できる。

図５は、本実施の形態に従う変位センサ１におけるラフ計測の処理内容を説明するための模式図である。図５（Ａ）には、出射パルスの時間波形の一例を示し、図５（Ｂ）には、図５（Ａ）に示す出射パルスが対象物ＯＢＪで反射して生じる反射信号の時間波形の一例を示す。図５（Ｂ）には、受光素子２０から出力される信号強度の時間波形（二値化処理前の状態）を示す。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）に示すように、本実施の形態に従う変位センサ１においては、出射パルスと反射信号との間に生じる時間差を計測する。カウンタ計測部１０４は、ファイン計測の実効範囲を定めるためのタイミング（ＴＤＣディレイライン１０６へのシフト動作に対するストップタイミング）を決定する。すなわち、カウンタ計測部１０４は、ファイン計測で使用するＴＤＣディレイライン１０６のストップタイミングを決定する。

図５（Ｃ）には、Ｎ回分の二値化信号を累積して得られる積算波形の一例を示す。例えば、ＴＤＣディレイライン１０６に対するストップタイミングは、出射パルスの立上り部分に相当する積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント（基準点）を算出し、その算出した基準点から決定してもよい。図５（Ｃ）には、波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント（基準点）の次にくるサンプリングタイミングをストップタイミングとして決定する例を示す。

なお、積算波形の立下り部分に相当する波形エッジと判定しきい値とのクロスポイントを基準点として用いてもよい。さらに、積算波形に含まれる特徴点（例えば、最大値、最小値、極大値、極小値など）を用いてもよい。

上述のようなラフ計測は、ファイン計測に先だって実行され、Ｎ回分の二値化信号の時間波形を計測することで、後続の計測周期でのファイン計測に用いられる、ＴＤＣディレイライン１０６に対するストップタイミングを決定する。

（ｄ２：ファイン計測：ＴＤＣディレイライン１０６および波形積算部１１０）
本実施の形態に従う変位センサ１におけるファイン計測は、主として、ＴＤＣディレイライン１０６および波形積算部１１０によって実行される。ＴＤＣディレイライン１０６は、入力された二値化信号を直列多段接続された遅延素子に入力するとともに、カウンタ計測部１０４によって決定されたストップタイミングを示すストップ信号に応じて、同一タイミングの各遅延素子の値を一括して取込むことで二値化情報の波形データを取得する。

波形積算部１１０は、二値化情報の波形データをＭ回分累積することで、対応する段数（遅延素子の位置）毎の二値化情報を累積する。すなわち、波形積算部１１０は、二値化情報の波形データをＭ回分取得すると、各段数についてＭ回分の二値化情報が得られるので、同一段数についての二値化情報（Ｍ個）を累積することで、積算波形を算出できる。

図６は、本実施の形態に従う変位センサ１におけるファイン計測の処理内容を説明するための模式図である。図６を参照して、ＴＤＣディレイライン１０６は、直列多段接続された遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍと、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍにそれぞれ対応付けられたＤフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍと、フリップフロップ１０６６とを含む。

ＴＤＣディレイライン１０６において、二値化信号は、遅延回路１０６２．０の第１入力ポート（ＣＩ）に入力される。遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍの各々の第２入力ポートには、「１」（真）が入力されている。この結果、遅延回路１０６２．０の出力ポート（ＣＯ）からは、第１入力ポート（ＣＩ）に入力された値がそのまま出力されることになる。但し、遅延回路１０６２．０の第１入力ポート（ＣＩ）に何らかの値が入力されてから、出力ポート（ＣＯ）から当該値が出力されるまでには、遅延回路１０６２．０の内部状態を変化させるのに要する遅延時間が生じる。すなわち、遅延回路１０６２．０に入力された二値化信号には、遅延回路１０６２．０の動作時間に相当する遅延時間が付加されることになる。

遅延回路１０６２．１〜１０６２．ｍの各々においても同様に遅延時間が順次付加されるので、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍの出力ポート（ＣＯ）からそれぞれ出力される値は、ＴＤＣディレイライン１０６に入力された二値化信号の時間波形を、段数に応じた遅延時間ずつずらしてそれぞれサンプリングした値に相当する。このように、遅延回路１０６２．１〜１０６２．ｍの各々は、遅延素子に相当する。

Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍは、ストップ信号に応じて、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍの出力ポート（ＣＯ）からそれぞれ出力される値をラッチする回路に相当する。より具体的には、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍのＤポートには、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍの結果出力ポート（Ｓ０〜Ｓｍ）からそれぞれ出力される値が入力される。

Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍの活性化ポート（ＥＮ）には、フリップフロップ１０６６の反転出力が与えられる。また、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍのトリガポートには、カウンタ計測部１０４からのストップ信号が入力される。Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍはエッジトリガ型であり、ストップ信号に変化が生じたタイミング、すなわち、カウンタ計測部１０４からストップ信号が出力されたタイミングで活性化する。

また、フリップフロップ１０６６は、計測用クロックＣＬＫで駆動されるとともに、トリガポートには、カウンタ計測部１０４からのストップ信号が入力される。フリップフロップ１０６６は、エッジトリガ型のフリップフロップである。

図６に示すような回路構成において、カウンタ計測部１０４からのストップ信号が入力される前から、二値化信号が入力されており、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍのそれぞれで生じる遅延時間だけ順次ずらした波形位置の値が保持および更新されている。また、フリップフロップ１０６６は不活性状態であり、フリップフロップ１０６６の反転出力として「１」（真）が、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍの活性化ポート（ＥＮ）に与えられている。

ここで、カウンタ計測部１０４からのストップ信号が入力されると、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍが活性化して、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍは、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍの結果出力ポート（Ｓ０〜Ｓｍ）からそれぞれ出力される値を取込む。

続いて、フリップフロップ１０６６が活性化され、フリップフロップ１０６６の反転出力として「０」（偽）が、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍの活性化ポート（ＥＮ）に与えられる。これによって、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍにおいては、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍの結果出力ポート（Ｓ０〜Ｓｍ）からの値の取込みが無効化される。さらに、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍは不活性化する。

このような一連の動作によって、カウンタ計測部１０４からストップ信号が入力されたタイミングにおける、遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍがそれぞれの保持している値Ｄ０〜Ｄｍが取込まれる。値Ｄ０〜Ｄｍからなる二値化情報の波形データが取得される。このような二値化情報の波形データがＭ回分だけ波形積算部１１０へ出力される。

波形積算部１１０では、Ｍ回分の二値化情報の波形データを累積して、積算波形を生成する。

図７は、本実施の形態に従う変位センサ１におけるファイン計測により生成される積算波形の一例を示す図である。図７を参照して、遅延回路１０６２．１〜１０６２．ｍ（すなわち、Ｄフリップフロップ１０６４．０〜１０６４．ｍ）の段数毎に累積値が算出される。なお、段数が大きいほど遅延時間が大きくなるので、図７に示す波形の右側ほど、古いタイミングの値を示すことになる。つまり、二値化信号の時間軸は、図５に示すものとは反対になり、左側が過去側、右側が現在側となる。このように、段数が小さいほど、時間的に新しい（距離は遠い）波形を示すことになる。その結果、図７に示すように、出射パルスの立上り部分は紙面左側に生じ、出射パルスの立下り部分は紙面右側に生じる。

変位センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離は、例えば、出射パルスの立上り部分に相当する積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイントとに対応する段数から算出される。

なお、本実施の形態に従う変位センサ１においては、ＴＤＣディレイライン１０６における段数の算出処理は、フィルタ処理後に実行されるため、波形積算部１１０では実行されない。

以上のように、本実施の形態に従う変位センサ１のファイン計測においては、ＴＤＣディレイライン１０６に入力される二値化信号を、カウンタ計測部１０４（ラフ計測）によって決定されたストップタイミングに基づいて、二値化信号の各部の値を同一のタイミングで取込む。このような各部の値の取込みを、所定の累積回数（Ｍ回）になるまで、複数の計測周期にわたって繰り返し実行し、取込まれたそれぞれの二値化情報を時間（段数）毎のＭ回分累積する。これによって、積算波形を算出できる。

なお、図６には、説明の便宜上、直列多段接続された遅延素子列が一ラインだけ存在する構成例を示したが、直列多段接続された遅延素子列を複数並列に配置してもよい。この場合には、二値化信号がそれぞれの遅延素子列に並列に入力されることになる。波形積算部１１０は、それぞれの遅延素子列から取込まれた波形データを累積する。すなわち、ＴＤＣディレイライン１０６が複数ラインの遅延素子群を含む場合には、全ラインの積算結果が合算されることになる。

なお、図６には、遅延素子として遅延回路１０６２．０〜１０６２．ｍを用いる構成を例示したが、これに限られず、任意の素子を遅延素子として利用できる。典型的には、インバータ回路やフリップフロップ回路などを用いてもよい。すなわち、少なくとも１つのゲートが存在する回路であれば、遅延素子として機能させることができる。

（ｄ３：フィルタ処理部１１４および段数算出処理部１１６）
次に、ファイン計測によって取得された積算波形に対するフィルタ処理および段数算出処理について説明する。

フィルタ処理部１１４は、波形積算部１１０によって取得された積算波形に対して、フィルタ処理を実行する。フィルタ処理は、ノイズ低減による精度改善を目的とするものである。

図８は、本実施の形態に従う変位センサ１におけるフィルタ処理の処理内容を説明するための模式図である。図８（Ａ）には、フィルタ処理に用いるフィルタの一例を示す。図８（Ａ）に示すフィルタは、一種の重み付き移動平均フィルタであり、注目点の近傍にある値に対して重み付けを行なった上で積算することで、当該注目点の値を算出する。

図８（Ｂ）には、フィルタ処理の一例を示す。ある注目点の値は、当該注目点の近傍の値を重み付けして積算することで算出される。

図８（Ａ）に示すフィルタは、注目点を中心として近傍±７領域の値を重み付けして積算することになる。図８（Ａ）に示すフィルタにおいて、重みをすべて「１」に設定することにより、近傍±７領域の平均値が算出される。つまり、重みをすべて「１」に設定することで、平滑化フィルタとして使用することができる。

図９は、本実施の形態に従う変位センサ１におけるフィルタ処理により得られる積算波形の一例を示す図である。図９には、図８（Ａ）に示すフィルタにおいて、重みをすべて「１」に設定した場合に得られる波形の一例を示す。図９に示すように、フィルタ処理を実行することで、積算波形の振幅が増幅されるとともに、立上り部分に含まれるノイズ成分が低減されていることが分かる。

なお、フィルタ処理部１１４でのフィルタ処理に代えて、あるいは、フィルタ処理に加えて、算出された積算波形に対して内挿処理を行なうことで、時間方向（段数方向）の分解能を向上させてもよい。

段数算出処理部１１６は、図９に示すようなフィルタ処理後の積算波形に含まれる特徴点を探索することで、出射パルスと反射信号との間に生じる時間差Δｔを算出するための段数を算出する。

図９には、出射した出射パルスのエッジである立下り部分に対応する、積算波形の立下り部分と判定しきい値とのクロスポイントに基づいて、段数を算出する処理を示す。なお、段数は、紙面左側から算出される。なお、積算波形に含まれる特徴点（例えば、最大値、最小値、極大値、極小値など）を用いてもよい。

このように、フィルタ処理部１１４は、ＴＤＣディレイライン１０６において取込まれる二値化情報の波形データのすべてを積算することで生成される積算波形を対象とする。例えば、ＴＤＣディレイライン１０６が直列多段接続した遅延素子のラインを２つ有している場合において、１ラインあたりの累積回数（上述のＭ回に相当）が１０２４回である場合には、２ライン合計で累積回数が２０４８回の積算波形を生成できる。

なお、フィルタ処理部１１４において使用されるフィルタの幅および重みは、予め任意に設定される。あるいは、状況に応じて、動的に設定されるようにしてもよい。

最終的に、段数算出処理部１１６は、フィルタ処理部１１４から出力されるフィルタ後の積算波形からクロスポイントを決定し、段数を算出する。

（ｄ４：距離換算部１１８および温度補正ＴＤＣディレイライン１０８）
距離換算部１１８は、段数算出処理部１１６により算出された段数に対して、遅延素子あたりに生じる遅延時間を乗じることで、出射パルスと反射信号との間に生じる時間差Δｔ、すなわち変位センサ１と対象物ＯＢＪとの間の距離Ｌを算出する。遅延素子あたりに生じる遅延時間は、温度補正ＴＤＣディレイライン１０８を用いて算出される。

温度補正ＴＤＣディレイライン１０８は、ＴＤＣディレイライン１０６を構成する遅延素子と同様の遅延素子からなる。温度補正ＴＤＣディレイライン１０８は、ＴＤＣディレイライン１０６と同一の温度条件となるように、ＴＤＣディレイライン１０６および温度補正ＴＤＣディレイライン１０８は、共通の基板または半導体上に形成されることが好ましい。

温度補正ＴＤＣディレイライン１０８を既知の期間の間活性化する処理が繰り返し実行される。温度補正ＴＤＣディレイライン１０８を活性化する期間と、その期間において活性化された遅延素子の段数とから、遅延素子あたりの遅延時間を算出できる。

このようにして、距離換算部１１８は、段数算出処理部１１６により算出された段数から、出射パルスと反射信号との間に生じる時間差Δｔ、すなわち変位センサ１と対象物ＯＢＪとの間の距離Ｌを算出する。

（ｄ５：出力判定部１２０）
出力判定部１２０は、距離換算部１１８により算出された変位センサ１と対象物ＯＢＪとの間の距離Ｌと、予め定められたしきい値とを比較して、算出された距離Ｌがしきい値を超えている場合、あるいは、算出された距離Ｌがしきい値を下回っている場合には、オン／オフ（あるいは、検出／非検出）の判定結果を出力する。出力判定部１２０からの判定結果に応じて、筐体２に配置されたインジケータ５１、第１表示灯５５、第２表示灯５６の点灯状態を変化させてもよい。

出力判定部１２０からの判定結果が短時間に変動（いわゆる、チャタリング）を生じないように、しきい値に加えて、所定範囲のヒステリシスを設定してもよい。

図１０は、本実施の形態に従う変位センサ１の出力判定部に設定されるヒステリシスの一例を説明するための図である。図１０を参照して、例えば、算出される距離が予め設定されたしきい値を下回った場合に、対象物ＯＢＪの存在を意味する「オン」を出力する場合を想定する。

図１０に示すように、算出される距離がしきい値を下回ると、判定結果として「オン」が出力される。この後、算出される距離がしきい値を上回ったとしても、「オン」出力は継続され、しきい値から所定幅（ヒステリシス）を上回った場合に、「オン」出力が解除される。

このように、予め設定されたしきい値に対して、ヒステリシスを設定することで、算出される距離に変動が生じたとしても、判定出力が断続的に変化する状態を防止できる。

＜Ｅ．受信信号量算出処理＞
次に、本実施の形態に従う変位センサ１の受信信号量算出部１１２における受信信号量算出処理の詳細について説明する。従来の二値方式（パルス方式）では、受信信号量、すなわち発光素子１０からの出射パルスが対象物ＯＢＪで反射して生じる反射信号の強度を計測することはできない。これは、反射信号を二値化するためである。

これに対して、本実施の形態に従う変位センサ１は、出射パルスに対する対象物ＯＢＪからの反射信号の強度（受信信号量）を計測あるいは推定し、その計測または推定によって得られた結果に基づいて、出射パルスの強度調整といった、計測状態の適正化を実現する。より具体的には、受信信号量算出部１１２は、波形積算部１１０から出力される積算波形、または、フィルタ処理部１１４から出力されるフィルタ後の積算波形から、１または複数の累積値が示す特徴量を算出する。

以下、１または複数の累積値が示す特徴量に基づく受信信号量の算出処理のいくつかの方法について説明する。

（ｅ１：積算波形の傾きを利用する方法：その１）
まず、１または複数の累積値が示す特徴量として、積算波形に現れる傾きを利用して受信信号量を算出する方法について説明する。

図１１は、本実施の形態に従う変位センサ１において積算波形の傾きに基づいて受信信号量を算出する方法を説明するための図である。図１１を参照して、波形積算部１１０から出力される積算波形、または、フィルタ処理部１１４から出力されるフィルタ後の積算波形について、当該積算波形中の波形エッジに着目する。なお、波形積算部１１０から出力される積算波形に対して後述するような処理を行なってもよいが、フィルタ処理部１１４から出力されるフィルタ後の積算波形を用いる方がより安定した処理を実現できる。

積算波形の傾きの一例として、図１１には、積算波形中の波形エッジの傾き（時間に対する累積値の変化量）を算出する方法を示す。積算波形中の波形エッジの傾きは、出射パルスの立上り部分または立下り部分に対応する領域の傾きに相当し、この傾きの大きさに基づいて、受信信号量が算出される。

積算波形中の波形エッジの傾きを算出する具体的な手順としては、積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント（基準点）を算出し、その基準点に対して時間軸（段数軸）上で前後する方向に、傾き算出用高しきい値および傾き算出用低しきい値とのクロスポイント２０１および２０２をそれぞれ決定する。

クロスポイント２０１とクロスポイント２０２との座標位置に基づいて、積算波形中の波形エッジの傾きを算出する。すなわち、積算波形中の波形エッジの傾き＝（クロスポイント２０１に対応する累積値とクロスポイント２０２に対応する累積値との差）／（クロスポイント２０１に対応する時間とクロスポイント２０２に対応する時間との差）として算出できる。

このようにして算出される積算波形中の波形エッジの傾きが急峻であるほど、受信信号量が大きいと判定できる。そのため、算出される傾きの大きさに一定係数を乗じることで、受信信号量を算出できる。あるいは、算出される傾きを変数として含む多次元関数を用いて、受信信号量を算出してもよい。さらに、傾きの大きさと受信信号量との関係を予め規定したテーブルを参照することで、算出される傾きに対応する受信信号量を決定できる。

以上のような処理手順によって、変位センサ１において受信される反射信号の強度、すなわち受信信号量を算出できる。この算出される受信信号量が予め定められた適正な範囲から外れている場合には、後述するような計測状態を適正化する処理が実行されてもよい。

（ｅ２：積算波形の傾きを利用する方法：その２）
上述したような積算波形に現れる傾きは、しきい値ではなく、時間幅を利用して算出してもよい。

図１２は、本実施の形態に従う変位センサ１において積算波形の傾きに基づいて受信信号量を算出する別の方法を説明するための図である。図１２には、積算波形中の波形エッジの傾き（時間に対する累積値の変化量）を算出する別の方法を示す。この積算波形中の波形エッジの傾きを算出する具体的な手順としては、積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント（基準点）を算出し、その基準点に対して時間軸（段数軸）上で前後する所定時間幅（判定時間）をそれぞれ設定し、それぞれの判定時間幅における累積値をクロスポイント２０３および２０４としてそれぞれ決定する。

クロスポイント２０３とクロスポイント２０４との座標位置に基づいて、積算波形中の波形エッジの傾きを算出する。すなわち、積算波形中の波形エッジの傾き＝（クロスポイント２０３に対応する累積値とクロスポイント２０４に対応する累積値との差）／（２×判定時間）として算出できる。

このようにして算出される積算波形中の波形エッジの傾きが急峻であるほど、受信信号量が大きいと判定できる。そのため、算出される傾きの大きさに一定係数を乗じることで、受信信号量を算出できる。あるいは、算出される傾きの大きさを変数として含む多次元関数を用いて、受信信号量を算出してもよい。さらに、傾きの大きさと受信信号量との関係を予め規定したテーブルを参照することで、算出される傾きに対応する受信信号量を決定できる。

以上のような処理手順によって、変位センサ１において受信される反射信号の強度、すなわち受信信号量を算出できる。この算出される受信信号量が予め定められた適正な範囲から外れている場合には、後述するような計測状態を適正化する処理が実行されてもよい。

（ｅ３：積算波形の傾きを解析的に決定する方法）
上述の説明においては、積算波形またはフィルタ後の積算波形から、受信信号量を算出するための特徴量を取得する方法を説明したが、このような特徴量を解析的に決定してもよい。

具体的には、例えば、波形積算部１１０から出力される積算波形、または、フィルタ処理部１１４から出力されるフィルタ後の積算波形に対して、複数の想定される傾き曲線を規定し、それぞれの傾き曲線と積算波形との間の相関値をそれぞれ算出し、最も高い相関値を示す傾き曲線を決定することで、当該決定された傾き曲線に対応する受信信号量を算出してもよい。

この場合、傾き曲線を規定するパラメータに基づいて受信信号量を算出してもよいし、傾き曲線毎に対応する受信信号量を予め規定しておき、最も高い相関値を示す傾き曲線に対応する受信信号量を出力するようにしてもよい。

（ｅ４：積算波形が示す高さを利用する方法：その１）
次に、１または複数の累積値が示す特徴量として、積算波形が示す高さ（累積値の大きさ）を利用して受信信号量を算出する方法について説明する。このとき、積算波形に現れる、予め定められた基準点（例えば、積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント）に関連付けられる累積方向の大きさに基づいて、受信信号量を算出してもよい。

積算波形が示す高さを算出する具体的な手順としては、上述の図１２に示すクロスポイント２０３またはクロスポイント２０４を決定し、決定したいずれかのクロスポイントの累積値の大きさに基づいて、受信信号量を算出してもよい。このとき、決定したクロスポイント２０３またはクロスポイント２０４に対応する累積値そのものを用いてもよいし、各クロスポイントに対応する累積値と判定しきい値との差分２０５または２０６を用いてもよい。

クロスポイントに対応する累積値、または、差分２０５もしくは差分２０６の大きさに一定係数を乗じることで、受信信号量を算出できる。あるいは、クロスポイントに対応する累積値、または、差分２０５もしくは差分２０６の大きさを変数として含む多次元関数を用いて、受信信号量を算出してもよい。さらに、クロスポイントに対応する累積値、または、差分２０５もしくは差分２０６の大きさと受信信号量との関係を予め規定したテーブルを参照することで、算出される傾きに対応する受信信号量を決定できる。

（ｅ５：積算波形が示す高さを利用する方法：その２）
次に、１または複数の累積値が示す特徴量として、積算波形が示す高さ（累積値の大きさ）を利用して受信信号量を算出する別の方法について説明する。このとき、積算波形に現れる、予め定められた基準点（例えば、積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント）に関連付けられる累積方向の大きさに基づいて、受信信号量を算出してもよい。

この積算波形が示す高さを算出する具体的な手順としては、上述の図１２に示すクロスポイント２０３およびクロスポイント２０４を決定し、決定したいずれかのクロスポイント間の差分（差分２０５と差分２０６との絶対値和）に基づいて、受信信号量を算出してもよい。

クロスポイント間の差分に一定係数を乗じることで、受信信号量を算出できる。あるいは、間の差分の大きさを変数として含む多次元関数を用いて、受信信号量を算出してもよい。さらに、間の差分の大きさと受信信号量との関係を予め規定したテーブルを参照することで、算出される傾きに対応する受信信号量を決定できる。

なお、基準点としては、累積方向の最大値を基準とした値（例えば、累積方向の最大値の１／２のレベルなど）を採用してもよい。

（ｅ６：積算波形が規定する面積を利用する方法）
次に、１または複数の累積値が示す特徴量として、積算波形が規定する面積を利用して受信信号量を算出する方法について説明する。このとき、積算波形に現れる、予め定められた基準点（例えば、積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント）に関連付けられる積算波形が規定する面積に基づいて、受信信号量を算出してもよい。

図１３は、本実施の形態に従う変位センサ１において積算波形が規定する面積に基づいて受信信号量を算出する方法を説明するための図である。図１３には、積算波形中の波形エッジの傾きが規定する面積を算出する方法を示す。積算波形が規定する面積を算出する具体的な手順としては、積算波形中の波形エッジと判定しきい値とのクロスポイント（基準点）を算出し、その基準点に対して時間軸（段数軸）上で前後する所定時間幅（判定時間）をそれぞれ設定する。２つの判定時間幅を含む範囲を積分範囲２０９として規定する。

積分範囲２０９にわたって、判定しきい値と積算波形との間の差分の絶対値を積算することで、上側累積値２０７および下側累積値２０８の面積の大きさを算出できる。積分範囲２０９は、積算波形中の波形エッジの部分に相当し、この波形エッジの傾きが急峻であるほど、受信信号量が大きいと判定できる。すなわち、算出される上側累積値２０７の面積と下側累積値２０８の面積との合計が大きいほど、受信信号量が大きいと判定できる。

そのため、算出される合計面積の大きさに一定係数を乗じることで、受信信号量を算出できる。あるいは、算出される合計面積の大きさを変数として含む多次元関数を用いて、受信信号量を算出してもよい。さらに、合計面積の大きさと受信信号量との関係を予め規定したテーブルを参照することで、算出される傾きに対応する受信信号量を決定できる。

以上のような処理手順によって、変位センサ１において受信される反射信号の強度、すなわち受信信号量を算出できる。この算出される受信信号量が予め定められた適正な範囲から外れている場合には、後述するような計測状態を適正化する処理が実行されてもよい。

なお、図１３には、面積を算出する手順として、判定しきい値を基準として、積算波形が規定する面積を算出する処理を例示したが、これに限らず、基準となる累積値は任意に決定できる。例えば、二値化信号の時間波形の総累積回数（すなわち、図１３に示す累積値の理論上の最大値）の１／２となる位置を基準とし、この基準となる累積値と積算波形とにより規定される面積を算出するようにしてもよい。

（ｅ７：統計的な処理）
説明の便宜上、上述の処理においては、１つの積算波形またはフィルタ後の積算波形から受信信号量を算出する方法を説明したが、複数の積算波形からそれぞれ受信信号量を算出し、それらの受信信号量に対して平均化などの統計処理を適用することで、代表値となる受信信号量を算出するようにしてもよい。

＜Ｆ．装置出力＞
上述したような方法により算出される受信信号量は、ユーザなどに向けてセンサ外部へ出力するようにしてもよい。

（ｆ１：視覚的出力）
本実施の形態に従う変位センサ１は、算出される受信信号量の大きさを示す情報を視覚的に出力する出力部を有している。このような出力部としては、図１に示す、インジケータ５１、第１表示灯５５、第２表示灯５６などが対応する。

より具体的には、筐体２に配置されたインジケータ５１（図１参照）に、算出された受信信号量を示す数値や受信信号量の度合いを示すメータなどを表示するようにしてもよい。さらに、算出された受信信号量が予め定められた下限しきい値を下回った場合などには、その旨をユーザへ通知するための表示態様の変化（例えば、点滅や警告表示）などを行ってもよい。

また、筐体２に配置された第１表示灯５５および／または第２表示灯５６の点灯状態を、算出された受信信号量に応じて変化させてもよい。例えば、算出される受信信号量が下限しきい値を上回っている場合には、表示灯を点灯または青色表示させ、算出される受信信号量が下限しきい値を下回っている場合には、表示灯を消灯または赤色表示させてもよい。

このように、算出される受信信号量を視認できる形でユーザへ出力することで、ユーザは、変位センサ１を用いた計測が安定して実施されているか否かを一見して把握できる。

なお、上述したような視覚的な出力に加えて、算出された受信信号量が下限しきい値を下回った場合には、警告音やアラームなどを発生するようにしてもよい。このような視覚的な通知手段を用いることで、変位センサ１の計測状態に何らかの不具合が生じたことを迅速に知ることができる。

（ｆ２：外部出力）
上述したような、インジケータ５１、第１表示灯５５、第２表示灯５６を介して通知される内容を任意の信号線、通信手段またはインターフェイスを介して、変位センサ１以外の外部装置に出力するようにしてもよい。すなわち、本実施の形態に従う変位センサ１は、算出される受信信号量の大きさを示す情報を外部出力する出力部を有していてもよい。

任意の信号線を介した出力形態としては、アナログ出力またはデジタル出力が想定される。アナログ出力の場合、Ｄ／Ａ（Digital to Analog）変換器などを用意して、算出された受信信号量の大きさに応じた電流値（例えば、４〜２０ｍＡのレンジ）または電圧値（例えば、１〜５Ｖのレンジ、あるいは、０〜５Ｖ）を出力するようにしてもよい。デジタル出力の場合、算出された受信信号量が予め定められたしきい値を超えるか否かを示すＯＮ／ＯＦＦ信号を出力するようにしてもよい。この場合、算出された受信信号量としきい値とを比較するためのコンパレータおよびリレー回路などを用いて実現できる。

このような信号線を介した外部出力を行うのに必要な構成は、例えば、インターフェイス部１２４（図４参照）などに実装すればよい。

さらに、任意の通信手段またはインターフェイスとしては、例えば、シリアル通信、パラレル通信、ＬＡＮ（Local Area Network）などの有線通信手段、無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの無線通信手段、各種メモリカードなどが想定される。

このようなセンサ外部への情報の出力手段を実装することで、変位センサ１を含む生産装置などの構成をより容易に実現できる。また、ユーザにとってみれば、算出された具体的な受信信号量を知ることができるので、計測された距離の信頼性がどの程度あるのかを容易に把握できる。

＜Ｇ．計測状態の適正化処理＞
上述したような方法により算出される受信信号量を用いて、計測状態を適正化してもよい。なお、以下に説明する各種処理は適宜組み合わせることができる。

（ｇ１：出射パルスの強度調整）
まず、算出される受信信号量に応じて出射パルスの強度を調整することで、計測状態を適正化する処理について説明する。

変位センサ１の計測中に、受信信号量が予め定められた下限しきい値を下回った場合には、受信信号量を増大させる処理を行って、最適な検出状態を常に維持することが好ましい。受信信号量を増大させるための処理としては、例えば、以下のようなものが挙げられる。

（１）発光素子１０から出射される出射パルスの強度（パワー）を大きくする。
（２）発光素子１０から出射される出射パルスの出射期間の長さ（パルス幅あるいはデューティ比）を大きくする。

（３）受信部（受光素子２０および受信回路２２）での受信ゲインを高める。
（４）波形積算部１１０における時間波形の累積回数を増加する。

以上の（１）〜（４）に示す処理のうち、少なくとも１つを実行することで、受信信号量を増大させて、安定した計測状態を維持できる。

また、逆に、変位センサ１の計測中に、受信信号量が予め定められた上限しきい値を上回った場合には、受信信号量を減少させる処理を行って、最適な検出状態を常に維持することが好ましい。受信信号量を減少させるための処理としては、例えば、上述した（１）〜（４）とは正反対の制御などを採用できる。

上述の（１）に示す処理において、出射部（発光素子１０および出射回路１２）は、算出される受信信号量の大きさに応じて、出射する出射パルスの強度を変化させる。また、上述の（２）に示す処理において、出射部（発光素子１０および出射回路１２）は、出射期間の長さ（パルス幅またはデューティ比）を変化させる。これらの挙動の変化は、受信信号量算出部１１２からパルス発生部１０２へ強度指令を与えることで実現されてもよい。パルス発生部１０２は、受信信号量算出部１１２からの強度指令に従って、出射回路１２に対して指令（タイミング指令および強度指令）を出力する。

図１４は、本実施の形態に従う変位センサ１における出射パルスの強度調整の一例を説明するための図である。

図１４（Ａ）には、上述の（１）に示す発光素子１０から出射される出射パルスの強度（パワー）を高める例を示す。図１４（Ａ）に示すように、出射パルスの振幅を調整することで、出射パルスの強度調整を実現できる。

図１４（Ｂ）には、上述の（２）に示す発光素子１０から出射される出射パルスの出射期間（パルス幅またはデューティ比）を高める例を示す。図１４（Ｂ）に示すように、出射パルスの振幅幅を調整することで、出射パルスの強度調整を実現できる。

また、上述の（３）に示す処理において、受信部（受光素子２０および受信回路２２）は、算出される受信信号量の大きさに応じて、反射信号に対する受信ゲインを変化させる。具体的には、受信回路２２を構成する受光素子２０の受光感度を変更するようにしてもよいし、受信回路２２における増幅量などを変更するようにしてもよい。このような挙動の変化は、受信信号量算出部１１２から受信回路２２へ受信ゲインに係る指令を与えることで実現されてもよい。

また、上述の（４）に示す処理において、波形積算部１１０は、算出される受信信号量の大きさに応じて、積算波形を生成するために用いる二値化信号の時間波形の数を変化させてもよい。このような挙動の変化は、受信信号量算出部１１２から波形積算部１１０へ受信ゲインに係る累積回数に係る指令を与えることで実現されてもよい。

上述したような受信信号量を増大または減少させる処理を算出される受信信号量の大きさに応じて適宜実行することで、好ましい計測状態を維持できる。

（ｇ２：出力判定部１２０）
算出される受信信号量に応じて、出力判定部１２０における判定基準を変化させてもよい。例えば、変位センサ１の計測中に、算出される受信信号量に応じて、しきい値判定を行なう際に用いられるヒステリシス幅を動的に設定してもよい。この場合、予め定められた関数に従って算出される受信信号量からヒステリシス幅を決定してもよいし、受信信号量とヒステリシス幅との関係を予め規定したテーブルを参照することで、算出される受信信号量に対応するヒステリシス幅を決定できる。

図１５は、本実施の形態に従う変位センサ１におけるしきい値判定に用いられるヒステリシス幅の調整処理の一例を説明するための図である。図１５に示すように、例えば、算出される受信信号量が相対的に大きい場合には、計測状態の安定度も相対的に高くなるので、ヒステリシス幅を相対的に小さくして、検出感度を高めることが好ましい。これに対して、算出される受信信号量が相対的に大きい場合には、計測状態の安定度は相対的に低くなるので、ヒステリシス幅を相対的に大きくして、検出安定度を高めることが好ましい。

このように、出力判定部１２０は、算出される受信信号量の大きさに応じて、対象物ＯＢＪが存在しているとの判定結果と対象物ＯＢＪが存在していないとの判定結果とを切替えるヒステリシス幅を変更する。出力判定部１２０でのしきい値判定に用いられるヒステリシス幅を、算出される受信信号量に応じて動的に設定することで、最適な判定を常に維持できる。

なお、出力判定部１２０に設定されているヒステリシス幅を、筐体２に配置されたインジケータ５１に表示するようにしてもよい。ユーザは、表示されるヒステリシス幅を確認することで、対象物ＯＢＪに対する検出可能な段差（ギャップ）の大きさを容易に知ることができる。

＜Ｈ．まとめ＞
本実施の形態に従う変位センサ１は、複数の二値化信号にわたって蓄積した積算波形（ヒストグラム）に基づいて、出射された出射パルスが対象物ＯＢＪで反射されて戻るのに要する時間（受信時点）を検出し、その検出された時間から、変位センサ１と対象物ＯＢＪとの間の距離を算出する。併せて、変位センサ１は、積算波形に現れる累積（高さ）方向の特徴量に基づいて、そのときのＳ／Ｎ比に相当する受信信号量を算出する。そして、変位センサ１は、算出した受信信号量をユーザなどへ通知するとともに、算出した受信信号量に応じた計測状態の適正化処理などを実行する。

積算波形に現れる累積（高さ）方向の特徴量としては、例えば、積算波形の傾き、積算波形が示す高さ、積算波形が規定する面積などが想定される。このような積算波形に現れる累積（高さ）方向の特徴量を算出するにあたっては、積算波形（ヒストグラム）に対して波形安定化のためのフィルタ処理を行った後の波形を用いてもよいし、内挿処理を行って時間方向の分解能を上げた波形を用いてもよい。

算出された受信信号量をユーザなどへ通知することで、ユーザは、現在の計測状態における受信信号量の余裕度合いなどを確認できる。また、ユーザは、通知される受信信号量の大きさを示す情報の変化を確認しながら、変位センサ１を配置することで、意図した位置に出射パルス発信信号が出射されているかを確認できる。

算出される受信信号量に応じて、算出される距離に対するしきい値判定時のヒステリシス幅を変化させることで、判定出力でのチャタリングなどを生じない、適切な検出段差（ギャップ）を設定または実現できる。具体的には、受信信号量が大きい場合には、安定した計測状態であると判断できるので、ヒステリシス幅を相対的に小さくし、受信信号量が小さい場合には、不安定な計測状態であると判断できるので、ヒステリシス幅を相対的に大きくする。

さらに、設定されるヒステリシス幅（すなわち、検出可能な段差（ギャップ））をユーザへ通知することで、ユーザは、対象としているアプリケーション（環境）への適応の可否を判定できる。

上述の説明においては、一例として、ラフ計測およびファイン計測の２段階計測の構成例を示したが、これに限らず、それぞれのラフ計測およびファイン計測のいずれか一方に対応する計測のみを実装した構成を採用してもよい。また、ラフ計測およびファイン計測のそれぞれにおいて積算波形を算出することができ、いずれの積算波形に対しても、上述したような受信信号量の算出処理が可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 変位センサ、２ 筐体、４ 接続部、６ 投受光部、１０ 発光素子、１２ 出射回路、２０ 受光素子、２２ 受信回路、３０ 外部クロック、５０ 表示操作部、５１ インジケータ、５２ 第１操作ボタン、５３ 第２操作ボタン、５４ 第３操作ボタン、５５ 第１表示灯、５６ 第２表示灯、１００ 主処理部、１０２ パルス発生部、１０４ カウンタ計測部、１０６ ＴＤＣディレイライン、１０８ 温度補正ＴＤＣディレイライン、１１０ 波形積算部、１１２ 受信信号量算出部、１１４ フィルタ処理部、１１６ 段数算出処理部、１１８ 距離換算部、１２０ 出力判定部、１２２ レジスタ、１２４ インターフェイス部、１３０ 発振器、１３２ ＰＬＬ、１６２，１８４，１８６ 立上り部分、１６４，１６６，１８２ 立下り部分、２０１，２０２，２０３，２０４ クロスポイント、２０５，２０６ 差分、２０７ 上側累積値、２０８ 下側累積値、２０９ 積分範囲、１０６２．０〜１０６２．ｍ 遅延回路、１０６４．０〜１０６４．ｍ Ｄフリップフロップ、１０６６ フリップフロップ、ＣＬＫ 計測用クロック、ＯＢＪ 対象物。

Claims (11)

1. パルス信号を周期的に出射する出射部と、
   前記出射部から出射されたパルス信号が対象物で反射して生じる反射信号を受信して、当該受信した反射信号の信号強度を示す二値化信号を出力する受信部と、
   前記二値化信号の時間波形の複数を、対応するパルス信号の出射タイミングを基準として対応する時間毎に累積することで、積算波形を生成する波形積算部と、
   前記積算波形に現れるパルス信号の波形特徴に対応する波形特徴に基づいて、前記対象物までの距離を示す値を算出する距離算出部と、
   前記積算波形に現れる１または複数の累積値が示す特徴量に基づいて、前記受信部で受信される反射信号の強度である受信信号量を算出する受信信号量算出部とを備える、変位センサ。
2. 前記算出される受信信号量の大きさを示す情報を視覚的に出力する出力部をさらに備える、請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記算出される受信信号量の大きさを示す情報を外部出力する出力部をさらに備える、請求項１または２に記載の変位センサ。
4. 前記出射部は、前記算出される受信信号量の大きさに応じて、出射するパルス信号の強度および出射期間の長さのうち少なくとも一方を変化させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の変位センサ。
5. 前記受信部は、前記算出される受信信号量の大きさに応じて、前記反射信号に対する受信ゲインを変化させる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の変位センサ。
6. 前記波形積算部は、前記算出される受信信号量の大きさに応じて、前記積算波形を生成するために用いる前記二値化信号の時間波形の数を変化させる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の変位センサ。
7. 前記距離算出部において算出される距離を示す値に基づいて、前記対象物の存在の有無を判定する出力判定部をさらに備え、
   前記出力判定部は、前記算出される受信信号量の大きさに応じて、前記対象物が存在しているとの判定結果と前記対象物が存在していないとの判定結果とを切替えるヒステリシス幅を変更する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の変位センサ。
8. 前記受信信号量算出部は、前記積算波形に現れる、パルス信号の立上り部分または立下り部分に対応する領域の傾きの大きさに基づいて、前記受信信号量を算出する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位センサ。
9. 前記受信信号量算出部は、前記積算波形に現れる、予め定められた基準点に関連付けられる累積方向の大きさに基づいて、前記受信信号量を算出する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位センサ。
10. 前記受信信号量算出部は、前記積算波形に現れる、予め定められた基準点に関連付けられる、前記積算波形が規定する面積に基づいて、前記受信信号量を算出する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の変位センサ。
11. 前記波形積算部が生成する積算波形をフィルタ処理するフィルタ処理部をさらに備え、
    前記受信信号量算出部は、前記フィルタ処理部によりフィルタ処理された積算波形から前記１または複数の累積値が示す特徴量を算出する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の変位センサ。

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